发展低能耗的人体热管理技术对于人体健康和可持续发展至关重要。基于辐射制冷（Radiative cooling）的人体热管理技术是一种零能耗方案，可以在不消耗任何能源且无温室气体排放的情况下实现炎热环境中高效的人体降温，是传统高耗能制冷设备（如空调）的有力补充，乃至替代性技术。现有的辐射制冷织物主要分为两类，一类是对人体热辐射高透过的织物，称之为透射型（Transmission-type）辐射制冷织物；另一类是对人体辐射具有高吸收率（同时具有高的发射率，基尔霍夫定律）的织物，称之为发射型（Emission-type）辐射制冷织物。然而，无论是透射型还是发射型辐射制冷织物的应用场景都是受限的，无法同时在室内和室外（包括阴天和晴天）场景发挥高效的人体辐射降温作用，这限制了辐射制冷技术的大规模实际应用。
近日，清华大学张如范副教授课题组与南京大学朱嘉教授团队合作，在期刊《Nature Sustainability》上，发表了最新研究成果“一种多场景适用的人体辐射制冷织物”（An all-weather radiative human body cooling textile）。研究者通过静电纺丝法设计并制备了一种可以适用于多种应用场景的辐射制冷纳米纤维织物，并证明该织物在包括室外晴天、室外阴天以及室内的多场景中均展示出优异的人体降温性能和良好的可穿戴性，解决了现有的人体辐射制冷织物应用场景受限的问题，拓宽了辐射制冷技术的应用范围，并有望推动其大规模实际应用。论文通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，共同通讯作者为南京大学朱嘉教授，论文共同第一作者为清华大学化工系博士后吴学科和南京大学博士生李金磊。
图1. 环境适应型发射-透射（Adaptive-type）辐射制冷模型的建立和理论计算。
在本工作中，作者首次提出了一种适用于多场景的环境适应型人体辐射制冷织物设计的理论模型（图1a）。该模型的特征是在大气透明窗口波段（8–13 μm），织物具有高发射率（图2b）；而在非窗口中红外波段（4–8 μm以及13–25 μm），织物对人体辐射具有高透射率。同时，该类织物还兼具高太阳反射率。理论计算结果验证了这种具有独特光谱选择性的辐射制冷织物可以在多场景（包括室内和室外）中实现高效的人体辐射降温（图1c-e）。
图2.聚甲醛（POM）纳米纤维织物的结构设计与性能表征。
基于理论模型，作者制备了一种具有选择性发射-透射特性的聚甲醛（POM）纳米纤维织物（图2）。该织物选择性地在大气窗口（8–13 μm）表现出高发射率（75.7%），在剩余的非窗口中红外波段具有高人体辐射透过率（~70%），同时具备高的太阳反射率（94.6%）。光谱测试结果表明：聚甲醛纳米纤维织物是一种典型的环境适应型辐射制冷织物。
图3. 聚甲醛（POM）纳米纤维织物在不同场景下的降温性能测试。
多场景下的测试结果证明：该聚甲醛纳米纤维织物体现出优于已报道的典型辐射制冷织物和商用棉布的人体散热性能，可同时在多种炎热场景下实现高效的人体降温（图3）。具体地，相比于现有典型辐射制冷织物和商用棉布，聚甲醛纳米纤维织物在晴天室外场景中的降温幅度达到2.6~8.8 ℃，在多云室外场景中的降温幅度达到0.7~3.6 ℃，在室内场景中的降温幅度达到0.5 ~1.2 ℃（值得注意的是，在室内场景使用时，每降低1 ℃，意味着空调临界温度可以提高1 ℃，对应可以节省~7%的能量消耗）。
图4. 聚甲醛（POM）纳米织物的可穿戴性测试以及防护服应用。
此外，聚甲醛纳米纤维织物还具有良好的可穿戴性（图4），包括高透气性、高水蒸气透过率、高抗拉强度、高耐水性、高耐紫外照射性和高耐环境稳定性等。将聚甲醛织物作为医用防护服时，体现出显著优于商品防护服的制冷性能。在室外强阳光照射（≥ 800 W m-2）下，相比于商品防护服，聚甲醛纳米纤维降温幅度达到~6 ℃，在室内环境中也可以降低~1 ℃。
本工作从理论上提出并从实验上实现了一种适用于多场景的环境适应型人体辐射制冷织物设计，也为将来设计更多高效的人体热管理材料提供了新的思路。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01200-x
人物简介：
张如范，清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Energy、SusMat、Exploration、Particuology及Carbon Neutralization青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文100多篇。申请发明专利15项；撰写学术专著6部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。
